海洋工程結(jié)構物風載荷計算方法比較＊

岳曉瑞 徐海祥 羅 薇 詹成勝

（武漢理工大學交通學院 武漢 430063）

0 引 言

隨著陸地資源的日益枯竭，人類對海洋資源的開采活動進入了一個新的階段，在這一階段里海洋工程結(jié)構物種類繁多.如何保證海洋工程結(jié)構物在惡劣的海洋環(huán)境中安全作業(yè)成為首要問題，海洋工程結(jié)構物在作業(yè)期間除了受自身的工作載荷外還受到環(huán)境載荷的影響.風載荷是海洋結(jié)構物所受的一種主要環(huán)境載荷，如何提高海洋工程結(jié)構物風載荷的計算精度，為設計海洋工程結(jié)構物提供可靠的載荷信息十分重要.

由于海洋工程結(jié)構物具有種類多、上層建筑結(jié)構復雜、高度不同等特點，對獲得準確的風載荷帶來了很大困難.風洞試驗是目前獲得風載荷最為可靠的方法，但風洞試驗具有試驗成本高、試驗周期長等缺點，設計時對每一個海洋工程結(jié)構物進行風洞試驗是不切合實際的.針對上述問題，國內(nèi)外學者提出了多種風載荷計算方法.在國外，Isherwood公式計算風壓系數(shù)精度較高，被普遍采用［1］；Could提出了船舶上層建筑風壓力系數(shù)和風壓力矩的估算方法，該方法考慮了相對風速［2］；Blendermann搜集了大量關于風載荷的數(shù)據(jù)，并在此基礎上提出了橫向、縱向以及首搖的風載荷系數(shù)計算公式［3－4］.另外，Blendermann還通過實驗數(shù)據(jù)得出了在不均勻風速下風載荷的計算方法［5］；OCIMF提出了超大型船舶風載荷的計算方法，例如計算VLCC所受的風載荷［6］；Haddara運用神經(jīng)網(wǎng)絡技術提出了一套計算海洋工程結(jié)構物風載荷系數(shù)的方法［7］；模塊法（Building Block Method）也是計算海洋工程結(jié)構物所受風載荷的方法之一［8］，模塊法是將整個水線以上結(jié)構離散成不同的標準構件模塊，疊加各組成構件的風載荷獲得結(jié)構物所受的總風載荷.在國內(nèi)，湯忠谷［9］對15艘長江和近海商船的船模進行了風洞試驗，給出了風壓合力系數(shù)、風壓合力角及風壓力作用點位置的回歸公式；洪碧光［10］通過對50條船模風壓系數(shù)的風洞試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出了一種由船型參數(shù)來估算風壓系數(shù)的回歸公式.

為方便海洋工程結(jié)構物設計者選擇合適的風載荷計算方法，本文以一艘大型油船為例，分別采用目前常用的幾種風載荷計算方法對其所受的風載荷進行了計算，并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較分析.

1 風載荷計算方法

目前常用的風載荷計算方法主要包括：

1）Blendermann方法 Blendermann通過風洞試驗搜集了大量的關于風載荷的數(shù)據(jù)，并在此基礎上得出了橫向和縱向風載荷系數(shù)計算公式.

式中：Cx，Cy分別為縱向、橫向風載荷系數(shù)；Cd1，Cdq，δ為與船舶類型有關的參數(shù)；θ為風向角；AL，AF分別為正縱、正橫時的受風面積；SL為受風面積的形心距船中的距離.

2）Isherwood公式 Isherwood根據(jù)各類商船有關壓力的大量船模風洞試驗結(jié)果，按商船上層建筑各特征參數(shù)進行回歸分析，得出了計算風壓力系數(shù)和風壓力矩系數(shù)的回歸公式，即Isherwood公式：

式中：Cx（θ），Cy（θ）分別為風向角θ時縱向、橫向風載荷系數(shù)；As為船舶水線以上的側(cè)投影面積；Af為船舶水線以上的正投影面積；Ass為船舶上層建筑的側(cè)投影面積；Loa為船舶總長；B為船寬；c為船舶水線以上部分側(cè)投影面積的周長（除去桅桿和通風筒等細長物體以及水線長度）；d為船舶水線以上部分側(cè)投影面積形心到船首的距離；m為船舶側(cè)投影面積中桅桿或中線面支柱的數(shù)目；a0，…，a6；b0，…，b6的值參見文獻［1］.

3）Haddara方法 Haddara采用神經(jīng)網(wǎng)絡技術對所搜集的關于船舶所受風載荷實驗數(shù)據(jù)進行了回歸分析，得出以下公式：

式中：Ck為風載荷系數(shù)，k為橫向或縱向；AL，AF分別為正縱、正橫時的受風面積；Loa為船舶總長；B為船寬；SL為受風面積的形心距船中的距離；δ為風向角；γki，ζkij為權重值.

4）模塊法（building block method） 模塊法是計算海洋工程結(jié)構物所受風載荷常用的方法之一，也是ABS和DNV建議的方法.模塊法是將整個水線以上結(jié)構離散成不同的標準構件模塊，疊加各組成構件的風載荷獲得結(jié)構物所受的總風載荷.因此在使用模塊法計算之前要求已知各組成構件的載荷特性，其準確性依賴于對構件載荷特性、構件之間影響特性以及模塊的劃分.其算法如下.

由于風在垂直方向是有梯度的，那么海平面高度Z處的風速為

式中：Zr為參考高度，一般取10m；vZr為參考高度的風速；p為指數(shù)，一般取0.1～0.15之間.

構件風載荷計算時采取平均風速

式中：A為受風面積；v（y，z）為構件受風面上點（y，z）處的風速.

第i個模塊所受風載荷

式中：vie為第i個模塊的平均風速；ρ為空氣密度；Csi，Chi分別為第i個模塊的形狀系數(shù)和高度系數(shù)；Ai為第i個模塊在正橫或正縱方向上的投影面積.

受風構件的總風載荷Fwind為

式中：Ne為劃分模塊的數(shù)量.

風載荷系數(shù)表達為

式中：Cx，Cy分別為縱向和橫向的風載荷系數(shù)；Fx，F(xiàn)y分別為縱向和橫向的合力；ρ為空氣密度；vr為參考風速；Ar為參考面積.

5）OCIMF方法 OCIMF提供了超大型船舶計算風載荷的方法并給出了不同球鼻艏和不同載況下的風載荷系數(shù)，具體見文獻［6］.

2 實例計算及比較分析

為方便海洋工程結(jié)構物設計者選擇合適的風載荷計算方法，本文以一艘大型油船為例，分別采用上述風載荷計算方法對其所受的風載荷進行了計算，并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較分析.該大型油船的主要參數(shù)為：總長351.4m，船寬55.4m，設計吃水23.5m，橫向受風面積為1 131.79m2，縱向受風面積3 401.47m2.

為方便風載荷的計算，建立圖1所示的坐標系.

圖1 坐標系

圖2和圖3分別為采用上述幾種方法計算該大型油船所受風載荷系數(shù)與實驗結(jié)果在x方向和y方向的比較.

圖2 幾種方法計算大型油船所受x方向上的風載荷系數(shù)與實驗結(jié)果的比較

圖3 幾種方法計算大型油船所受y方向上的風載荷系數(shù)與實驗結(jié)果的比較

從圖2可以看出，隨著風向角的增大，x方向上的風載荷系數(shù)變化趨勢為先由大逐漸減小，在90°附件時為零，后由小逐漸增大.通過圖2的比較可以看出，當風向角較小時，幾種方法的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，隨著風向角的增大，與實驗結(jié)果相比，Isherwood方法和模塊法的計算結(jié)果相對偏大，OCIMF方法的計算結(jié)果相對偏小，而Haddara方法的計算結(jié)果當風向角在90°以內(nèi)時相對偏小，在90°以外時相對偏大.同時可以看出，在風向角的整個變化范圍內(nèi)，Blendermann方法的計算結(jié)果均與實驗結(jié)果吻合較好.

從圖3可以看出，隨著風向角的增大，y方向上的風載荷系數(shù)變化趨勢為先由小逐漸增大，在90°附近時達到最大，后由大逐漸減小.通過圖3可以看出，與實驗結(jié)果相比，幾種計算方法中除了Haddara方法的結(jié)果在風向角較小時出現(xiàn)異常外，其它方法的曲線變化趨勢與實驗吻合較好.

3 結(jié) 論

風載荷是海洋結(jié)構物所受的主要環(huán)境載荷之一.為保證海洋結(jié)構物作業(yè)安全，設計時選擇一種合適的風載荷計算方法，為其提供可靠的設計風載荷信息十分重要.本文首先對目前常用的幾種風載荷計算方法進行了介紹，然后以一艘大型油船為例對其所受的風載荷進行了計算，并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較.比較分析表明，Blendermann方法的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好.

［1］Isherwood R M.Wind resistance of merchant ship［J］.Trans.of RINA，1973（115）：132－138.

［2］Gould R.The estimation of wind loads on ship superstructures［J］.The Royal Institution of Naval Architects，1982（8）：34－40.

［3］Blendermann W.Wind loads on moored and manoeuvring vessels［J］.OMAE，Offshore Technology，1993（1）：183－189.

［4］Blendermann W.Parameter identification of wind loads on ships＇［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 51，1994（2）：339－351.

［5］Blendermann W.Estimation of wind loads on ships in wind with a strong gradient，offshore technology［J］.1995（1－A）：271－277.

［6］OCIMF，Prediction of wind and current loads on VLCCs［M］.2nd ed.Oil Companies International Marine Forum，1994.

［7］Haddara M R.Wind loads on marine structures［J］.Marine Structures，1999（12）：199－209.

［8］陳 恒.深海半潛式平臺動力定位推力系統(tǒng)設計研究［D］.上海：上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，2008.

［9］湯忠谷.水面船舶的空氣動力［J］.武漢水運工程學院學報，1982（4）：79－89.

［10］洪碧光.船舶風壓系數(shù)計算方法［J］.大連海運學院學報，1991，17（2）：113－121.